Es klingt fantastisch, ist aber für die Wissenschaftler, die am größten Teilchenbeschleuniger der Welt arbeiten, Realität.
In einem unterirdischen Tunnel etwa 106 Meter unter der französisch-schweizerischen Grenze schickt ein riesiges Gerät namens Large Hadron Collider Protonenstrahlen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit aufeinanderprallen und dabei winzige Eruptionen erzeugen, die die Bedingungen nachahmen, die unmittelbar nach dem Urknall herrschten.
Wissenschaftler wie der Duke-Physiker Ashutosh Kotwal glauben, dass die subatomaren Trümmer dieser Kollisionen Hinweise auf die „fehlende Materie“ des Universums enthalten könnten. Und mit etwas Hilfe künstlicher Intelligenz hofft Kotwal, diese flüchtigen Hinweise mit einer Kamera festzuhalten, und zwar mithilfe eines Designs beschrieben 3. Mai im Journal Wissenschaftliche Berichte.
Gewöhnliche Materie – aus der Menschen und Planeten bestehen – ist nur ein Teil dessen, was es da draußen gibt. Kotwal und andere sind auf der Suche nach dunkler Materie, einer unsichtbaren Materie, die fünfmal häufiger vorkommt als die Materie, die wir sehen können, deren Natur jedoch weiterhin ein Rätsel ist.
Von seiner Existenz wissen die Wissenschaftler aufgrund seiner Gravitationswirkung auf Sterne und Galaxien, ansonsten wissen wir jedoch nicht viel über ihn.
Der Large Hadron Collider könnte das ändern. Dort suchen Forscher nach dunkler Materie und anderen Rätseln. Dafür verwenden sie Detektoren, die wie riesige 3D-Digitalkameras funktionieren und kontinuierlich Schnappschüsse des Teilchenstrahls machen, der bei jeder Proton-Proton-Kollision entsteht.
Nur gewöhnliche Teilchen lösen die Sensoren eines Detektors aus. Wenn es Forschern am LHC gelingt, dunkle Materie zu erzeugen, könnte sie sich nach Ansicht der Wissenschaftler unter anderem durch eine Art Verschwinden bemerkbar machen: schwere geladene Teilchen, die eine bestimmte Distanz – etwa 25 Zentimeter – vom Kollisionspunkt zurücklegen und dann unsichtbar und spurlos in dunkle Materieteilchen zerfallen.
Wenn Sie die Wege dieser Partikel zurückverfolgen, hinterlassen sie eine verräterische „Verschwindespur“, die teilweise durch die inneren Schichten des Detektors verschwindet.
Doch um diese schwer auffindbaren Spuren zu entdecken, müssen sie schnell handeln, sagt Kotwal.
Das liegt daran, dass die Detektoren des LHC pro Sekunde etwa 40 Millionen Schnappschüsse von fliegenden Teilchen machen. Das sind zu viele Rohdaten, um sie alle aufzubewahren, und die meisten davon sind nicht sehr interessant. Kotwal sucht nach der Nadel im Heuhaufen.
„Die meisten dieser Bilder haben nicht die besonderen Signaturen, nach denen wir suchen“, sagte Kotwal. „Vielleicht ist eines von einer Million eines, das wir retten wollen.“
Den Forschern stehen nur wenige Millionstel Sekunden zur Verfügung, um zu bestimmen, ob eine bestimmte Kollision von Interesse ist, und sie für eine spätere Analyse zu speichern.
„Um das in Echtzeit und über Monate hinweg zu tun, wäre eine Bilderkennungstechnik erforderlich, die mindestens 100-mal schneller läuft als alles, was Teilchenphysikern je gelungen ist“, sagte Kotwal.
Kotwal glaubt, dass er eine Lösung gefunden hat. Er hat einen sogenannten „Track Trigger“ entwickelt, einen schnellen Algorithmus, der diese flüchtigen Spuren erkennen und markieren kann, bevor es zur nächsten Kollision kommt, und zwar aus einer Wolke von Zehntausenden gleichzeitig gemessener Datenpunkte heraus.
Sein Konzept funktioniert, indem die Aufgabe der Bildanalyse auf eine große Anzahl gleichzeitig laufender KI-Engines aufgeteilt wird, die direkt auf einem Siliziumchip eingebaut sind. Die Methode verarbeitet ein Bild in weniger als 250 Nanosekunden und sortiert automatisch die uninteressanten aus.
Kotwal beschrieb diesen Ansatz erstmals in einer Reihe von zwei Artikeln, die 2020 und 2021 veröffentlicht wurden. In dem neueren Artikel zeigen er und ein Team von studentischen Koautoren, dass sein Algorithmus auf einem Siliziumchip ausgeführt werden kann.
Kotwal und seine Studenten planen, bis zum nächsten Sommer einen Prototyp ihres Geräts zu bauen. Es wird jedoch noch drei oder vier Jahre dauern, bis das vollständige Gerät – das aus etwa 2.000 Chips bestehen wird – an den Detektoren des LHC installiert werden kann.
Wenn die Leistung des Beschleunigers weiter steigt, wird er noch mehr Teilchen produzieren. Und Kotwals Gerät könnte dazu beitragen, dass Wissenschaftler dunkle Materie, die sich unter den Teilchen versteckt, nicht übersehen.
„Unsere Aufgabe ist es, sicherzustellen, dass unsere Technologie ausreicht, um die Produktion dunkler Materie auf frischer Tat zu ertappen, falls sie stattfindet“, sagte Kotwal.
Mehr Informationen:
Ashutosh Vijay Kotwal et al., Ein Graphencomputer mit geringer Latenz zur Identifizierung metastabiler Partikel am Large Hadron Collider zur Echtzeitanalyse potenzieller Signaturen dunkler Materie, Wissenschaftliche Berichte (2024). DOI: 10.1038/s41598-024-60319-9